干旱区栽培黑果枸杞光合特性和产量对施氮的响应

马兴东，郭晔红，杜 弢，李梅英，于霞霞

(1.甘肃农业大学 农学院 中药材研究所，甘肃省中药材规范化生产技术创新重点实验室，甘肃省药用植物栽培育种工程研究中心，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；2.甘肃中医药大学 药学院，兰州 730000；3.国家林业局甘肃濒危动物保护中心，甘肃武威 733000)

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)为多年生灌木[1]，主要分布在中国新疆、青海、甘肃和宁夏等地[2]，果实中富含多糖、花青素和黄酮等物质，具有抗氧化、抗疲劳、降血压、降血脂、增强免疫力和防治糖尿病等功效，因具有较高的营养成分和药用价值，享有“软黄金”的美誉[3]。

氮素(N)是植物生长所必需的营养元素，是构成蛋白质的主要成分，也是植物进行光合作用关键细胞器叶绿体的组成成分，施氮通过影响植物叶片的发育和光合效率来影响干物质的积累[4]，目前对于氮肥在小麦[5]、玉米[6]和大豆[7]等作物中的施用已有广泛研究，农业生产中施用氮肥可提高作物产量和品质，但过多的施氮则受“报酬递减率”规律的影响不仅不能增产，反而会造成土地和环境的污染[8-9]，因此，合理施氮是作物栽培中需要解决的关键问题。光合作用是植物进行干物质累积的基础，是反映植物生理性状的重要指标，研究认为植株的光合能力是作物直接生产力的具体体现[10]，国内外许多学者已对作物的光合特性展开了深入研究[11-13]，但因黑果枸杞叶片狭小光合测定难度较大，所以有关黑果枸杞光合特性的报道目前尚不多见。本研究针对这点，且鉴于栽培区土壤肥力低下，果实产量较低及品质较差，经济效益得不到提升等一些亟待解决的问题，以光合作用为深入点，通过对不同施氮水平与黑果枸杞叶片光合特性关系的研究，旨在探明黑果枸杞光合特性和产量对氮肥的响应机理，以期为干旱区黑果枸杞人工栽培中科学施氮提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省武威市国家林业局甘肃濒危动物保护中心(38°05′N，102°43′E，海拔1 632 m)进行，该区为温带大陆性气候，日照充足、降水稀少、蒸发量大、生态环境十分脆弱，属于典型干旱区。该区土壤为碱化灰棕漠土，土层深厚，土壤pH 7.5～9.2，有机质7.33 g·kg-1、全氮0.51 g·kg-1、全钾0.32 g·kg-1、全磷0.94 g·kg-1，总体肥力低下，生产潜力差，处于退化状态。近10 a研究调查结果显示，该区年均气温 7.9 ℃，日照时数超过3 000 h，降水量140 mm，蒸发量2 900 mm，无霜期150 d以上。

1.2 材料与设计

2017年从青海诺木洪农场购置2 a生黑果枸杞苗移栽至试验地，黑果枸杞品种为青海格尔木黑果枸杞，栽培株行距为3 m×2 m，每小区种植5株，小区面积为30 m2，共15个小区，总面积为450 m2。设置全年施氮量处理为0(CK)、50 g·株-1(N1)、100 g·株-1(N2)、150 g·株-1(N3)、200 g·株-1(N4)，氮源为尿素(w=46%)，全年施氮分3次，分别于4月20日、6月10日和7月1日施全年氮肥的40%、30%、30%。此外每株全年施磷(过磷酸钙，P2O，27%)和钾(硫酸钾，K2O，24%)各0.1 kg做基肥，施肥时间为2019-04-20。氮、磷、钾肥均购自青海中航资源有限公司，施肥方式为穴施，穴深20～30 cm，距离主杆30～50 cm，施肥后及时浇水以便肥料速溶，每月除草1次。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶绿素含量测定 将采摘的叶片及时低温保存，参照李合生[14]的方法略做改动测定叶绿素(Chl)含量，即称取0.1 g鲜叶，充分研磨后用φ=80%的丙酮提取，用紫外分光光度计(UV-6300PC, Mapada, China)测定。叶绿素含量计算公式为：Chla=12.21A663-2.81A646；Chlb=20.13A646- 5.03A663。

1.3.2 气体交换参数测定 参考Ou等[15]的方法略作改动，即使用Li-6400XT(Li-COR6400Inc, Lincoln, USA)光合测定系统进行测定，分别在黑果枸杞果实成熟的3个时期(头茬果期、夏果期和秋果期)选择晴朗天的09:00-11:00进行连续3 d的测定，每个叶片重复测定3次，取平均值分析，由系统自动记录净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)，并计算水分利用率(WUE)=Pn/Tr。

1.3.3 光响应曲线测定 参照马彦军等[16]的方法略作改动，即使用Li-6400XT(Li-COR6400 Inc, Lincoln, USA)配置的人工光源，设定光合有效辐射(PAR)0～ 2 000 μmol·m-2·s-1，叶室温度25 ℃，CO2浓度208 mg·m-3，最短等待时间120 s，选择晴朗天的09:00- 11:00，由系统自动记录不同光强所对应的Pn，每个叶片重复测定3次，取平均值分析。

用传统直线方程拟合弱光条件下(≤200 μmol·m-2·s-1)的光响应曲线，得到表观量子效率(AQY)，用直角双曲线模型进行拟合[17]，计算出光补偿点(LCP) 、光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)。表达式为Pn=αIPnmax/(αI+Pnmax)-Rd，式中α为初始量子效率，I为光合有效辐射。

1.3.4 产量测定 果实采摘后在105 ℃烘箱内杀青30 min，随后在60 ℃下烘干至恒量，对百粒质量和单株产量进行测定，每处理重复3次，结果取平均值。

1.4 数据处理

采用Excel 2010对数据进行处理及绘图，用SPSS 22.0对数据进行统计分析，用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施氮对黑果枸杞叶片叶绿素含量的影响

2.1.1 叶绿素a及叶绿素b 由表1可以看出，每个时期Chl a和Chl b的含量随施氮量的增加呈先增后降趋势，含量最大值均出现在N3，与CK差异显著。各时期Chl a最高含量分别为 0.952、0.916和0.746 mg·g-1，比CK高出 41.9%、52.7%、27.1%；Chl b最高含量分别为 0.305、0.312和0.279 mg·g-1，比CK高出 24.5%、36.2%、24.6%。可见，适量施氮可促进Chl a和Chl b的合成，但过量会抑制其合成。

2.1.2 叶绿素a+b及叶绿素a/b 由表1可以看出，各个时期Chl a+b随施氮量的增加呈先增后降趋势，都在N3达到最大，与CK差异显著；3个时期Chl a/b的最大值分别出现在N3、N4、N3，与CK差异显著。可见，适量施氮可以提高Chl a+b和Chl a/b。

2.2 施氮对黑果枸杞叶片光合气体交换参数的影响

2.2.1 净光合速率(Pn)Pn是研究植物光合特性的重要参数，其大小反映单位时间内植物有机物的积累状况。从图1可以看出，每个时期不同处理下的Pn差异较为显著(P<0.05)，Pn均在N3达到最大，分别为12.152、12.330和9.494 μmol·m-2·s-1，比CK高出67.6%、54.1%、 44.0%；相同处理下不同时期间的差异也较为显著，头茬果期和夏果期高于秋果期。每个时期Pn随施氮量的增加而变化的趋势都相同。可见，施氮对Pn有明显的影响；秋果期整体Pn低于头茬果期和夏果期，造成差异的原因可能是秋果期光照强度比头茬果期和夏果期更低，因为光照强度是影响植物Pn的重要因素。

表1 不同施氮量下黑果枸杞叶绿素含量Table 1 Chlorophyll content of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

2.2.2 胞间CO2浓度及气孔导度Ci和Gs作为研究植物光合特性的重要指标，二者有着密切的关系。由图1可以看出，每个时期Ci和Gs受施氮影响，各自的变化规律一致：Ci呈一直下降趋势；Gs呈先升后降趋势，在N2处理下达到最大。头茬果期N3和N4的Ci差异不显著(P>0.05)，CK和N1的Gs差异不显著；夏果期CK和N1及N2、N3和N4的Ci差异不显著，N1和N3的Gs差异不显著；秋果期CK和N1、N3和N4的Ci差异不显著。总体来看，施氮对黑果枸杞叶片Ci有抑制作用，适量施氮对Gs有促进作用。

2.2.3 蒸腾速率及水分利用率Tr和WUE都是植物重要的生理指标。从图1可以看出，每个时期Tr随施氮量的增加都呈先升后降趋势，且都在N2达到最大，分别为4.989、3.773和2.984 mmol·m-2·s-1，与CK差异显著；每个时期WUE随施氮量的增加呈先降后升趋势，在N4达到最大，分别为7.273、 5.416和6.007 g·kg-1，与CK差异显著。与CK相比，适量施氮可以提高黑果枸杞叶片Tr和WUE。

2.3 黑果枸杞光合作用指标相关性分析

从表2可以看出，每个时期叶绿素的含量与各光合气体交换参数间存在一定的正相关性，但因生育期的不同相关性存在差异。头茬果期Ci与Chl a、Chl b、Chl a+b、Chl a/b均达到显著性正相关，且相关系数大于0.8，其余参数与叶绿素含量之间未达到显著性相关；夏果期Ci与Chl b达到显著性正相关，相关系数为0.901；秋果期叶绿素含量与各气体交换参数间的相关性未达到显著水平。综上分析，叶绿素含量与Ci关系最为密切，但随着生育期的延续，这种关系的显著程度逐渐降低。

不同小写字母表示相同生育期不同施氮量间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示相同施氮量不同生育期间差异显著(P< 0.05)，下同

表2 黑果枸杞叶绿素含量与气体交换参数间的相关性Table 2 Correlation between chlorophyll content and gas exchange parameters of Lycium ruthenicum Murr.

2.4 施氮对黑果枸杞光响应曲线参数的影响

AQY、LCP、LSP、Pnmax、Rd都是植物光合能力的重要体现，由表3可以看出，每个时期AQY随施氮量的增加呈先增后减趋势，其范围为 0.021～0.037。头茬果期，LCP在N2最大，为44.690 μmol·m-2·s-1；LSP在CK最大，为1554.129 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N3最大，为16.175 μmol·m-2·s-1；Rd在N2最大，为 1.555 μmol·m-2·s-1。夏果期，LCP在N3最大，为61.931 μmol·m-2·s-1；LSP在CK最大，为1 433.186 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N4最大，为10.241 μmol·m-2·s-1；Rd在N3最大，为1.713 μmol·m-2·s-1。秋果期，LCP在N2最大，为74.988 μmol·m-2·s-1；LSP在N1最大，为1 273.385 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N3最大，为6.894 μmol·m-2·s-1；Rd在N2最大，为1.815 μmol·m-2·s-1。综上可见，施氮对黑果枸杞叶片的AQY、LCP、LSP、Pnmax、Rd均有一定影响，但影响程度不同，并且这些参数在不同时期受施氮影响的程度也不同，因为不同时期间光合参数中最大的差异是光照强度，因此，不同时期间的变化差异可能主要由光照强度所决定。

表3 不同施氮量下黑果枸杞光合参数Table 3 Photosynthetic parameters of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

2.5 施氮对黑果枸杞果实产量的影响

由图2可知，中高水平的施氮对每个时期果实百粒质量和单株产量都有一定的促进作用。3个时期最大百粒质量分别在N4、N3、N3，与CK差异显著，为9.997 g、9.215 g、7.852 g，比CK提高38.1%、31.9%、27.7%；3个时期最大单株产量分别在N3、N4、N3，且分别为113.621 g、 116.612 g和85.264 g，比CK提高 27.6%、 32.9%和 52.3%，与CK差异显著。可见，越到生育后期，施氮对百粒质量的提高作用越弱，而对单株产量的提高作用越强。

3 讨 论

氮是作物生长发育的重要影响因子，控制好施氮量，可增强作物光合作用，促进光合产物的形成[18]。张元帅等[19]研究认为施氮量的增加能增强植物叶片对光能的捕获能力，提高光能转化率，从而促进光合作用，提高光合速率。然而研究发现过量施氮会引起叶片气孔关闭变缓，使得Gs降低并且蒸腾作用延长、水分流失增加，最终影响叶片光合速率和植株生长及干物质的积累[20]。本研究中，中高水平量的施氮对黑果枸杞叶片Pn、Gs、Tr、WUE和果实产量都有一定的促进作用，而过量时又会对各指标产生负面效应，符合上述的研究结果。叶绿素含量体现了植物的生态适应能力和光合能力，有研究认为施氮能提高植物叶片中叶绿素含量，通过增加其含量来增强叶片叶肉细胞的吸光强度和光合活性，进而提高Pn[21-23]。本研究中黑果枸杞叶片叶绿素含量随施氮量的增加而增加，并通过其含量的增加而提高Pn。试验中发现适量施氮可以提高黑果枸杞果实百粒质量和单株产量。可见，黑果枸杞干物质的积累、品质和产量等都与其自身的Pn有密切联系，与前人对不同作物的多项研究结果一致[24-27]。超过最佳施氮量后，Pn、Gs和Tr等指标开始下降，而Ci随施氮量的增加一直呈下降趋势，Pn、Gs和Ci的变化趋势一致，这说明过量施氮使黑果枸杞叶片Pn下降主要由气孔因素引起[28]，施氮过量造成短期内叶片光合产物积累过多，叶片激素及代谢改变，使植株光合作用受阻。本研究中施氮量超过N1后，秋果期的Ci大于头茬果期和夏果期，这可能是因为秋果期时的气温较低，光照较弱，影响到植物对CO2的固定能力，使得CO2在细胞内积累增多[29]，Gs是影响Ci变化的原因之一[30]，理论上Gs的升高会使Ci减少，但试验中两者并不成线性规律，说明Ci不仅仅是受Gs的影响，可能还与光照强度、大气温度和大气CO2浓度等许多不确定因素有关，有待进一步研究。而Tr和Gs的变化规律一致，因为光合作用的原料物质水和部分矿质元素的运输依赖于蒸腾作用，植物蒸腾作用的最主要方式为气孔蒸腾[14]，因此通常情况下Tr受Gs的正相关影响，所以试验中施氮引起二者的变化趋势一致。

图2 不同施氮量下黑果枸杞产量Fig.2 Yield of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

Pn是植物生长发育过程中一个重要的生理生态指标，光响应曲线模型是描述Pn与PAR间的相互关系，对评价植物光合效率和探讨光合响应机制具有重要意义[31]。目前国内外许多学者提出了不同的光响应曲线模型，在研究外界因子对植物影响的情况下，直角双曲线模型是一种较为简单、合理，且拟合值与实测值较接近，拟合系数较高的曲线模拟方法[32]，故在本研究中选用直角双曲线模型进行光响应曲线模拟。AQY是体现植物光合作用对光能利用效率的指标[33-34]，可反映植物Rubisco羧化酶的活性和吸收与转化光能色素的多少及对弱光利用能力的强弱[35]，其表示方法一般是利用直线方程拟合弱光下的光响应得到的直线斜率，研究表明在一般适宜生长环境下，植物的AQY为0.03～0.05[36]。本研究中各个时期在不施氮情况下的AQY分别为0.024、 0.023、0.021，均小于0.03，说明正常情况下黑果枸杞叶片对弱光的利用能力较弱，这也反映黑果枸杞长期生长在日照充足的荒漠盐碱地环境中，适应了强光照射而不耐荫蔽环境，这与马彦军等[16]的研究结果一致；随着施氮的适量增加AQY也在增大，说明施氮能提高黑果枸杞叶片对弱光的利用能力，而Pnmax也随着施氮的适量增加而提高，说明施氮提高了黑果枸杞的叶片Pn。雷蕾等[37]研究认为，AQY与LCP和LSP间有一定的联系，LCP反映的是植物对弱光的利用能力，其值越大表示对弱光的利用能力越小，LSP反映的是植物对强光的适应能力[38]，本研究中，适量施氮提高黑果枸杞叶片AQY和LCP，降低LSP，这与张志刚等[39]在辣椒上的研究结果 一致。

4 结 论

施氮能提高黑果枸杞头茬果期、夏果期和秋果期的叶片Pn和产量，但施氮过量又会引起负效应，故当全年施氮量为150 g·株-1时Pn最大，当全年施氮量为150或200 g·株-1时产量最大；施氮能提高黑果枸杞叶片AQY和Pnmax，也能提高叶片对弱光的利用能力。施氮通过提高叶片叶绿素含量、Pn、WUE等指标及对弱光的利用能力来促进光合作用，从而增加干物质的积累量，达到产量的提升。故建议在河西干旱地区栽培黑果枸杞时每年施氮150～200 g·株-1，以获得最佳的肥料利用效率、光合效率及产量。